Palestra SFCR Características Básicas Do Sol v 1 3 1
CBPF-CS-009/11
Marcos de Castro Carvalho, Gerson S. Paiva e Gilmar B. A. Júnior Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas Neste trabalho apresentamos uma célula solar que utiliza clorofila extraída de capim. Esta célula solar tem um grande atrativo por ser de fabricação simples e baixo custo do que as células convencionais. Os processos de capitação e de geração de energia são idênticos aos dispositivos semicondutores. Seu funcionamento é como na fotossíntese em que as plantas retiram energia do Sol, só que na célula de clorofila esta energia é convertida em eletricidade. Tecnicamente, são chamadas de células solares DSC ("Dyesensitized Solar Cell", ou célula solar sensibilizada por corante). Palavras-chave: energia solar, dispositivos orgânicos.
INTRODUÇÃO Energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa proveniente do sol, e posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente para aquecimento de água ou ainda como energia elétrica ou mecânica. No seu movimento de translação, a Terra recebe 1.410 W/m² de energia, desta, aproximadamente 19% é absorvida pela atmosfera e 35% é refletida e espalhada pelas nuvens. As plantas utilizam um pequeno espectro desta energia no processo de fotossíntese. A radiação solar, juntamente com outros recursos energéticos, tal como a energia eólica, hidro-eletricidade e biomassa, são responsáveis por grande parte da energia renovável disponível na terra. Apenas uma minúscula fracção da energia solar disponível é utilizada. A superfície total da Terra recebe 174 petawatts (174 seguido de quinze zeros) de radiação solar (insolação). Dessa radiação, cerca de 30% é refletida para o espaço, enquanto o restante é absorvida pelos mares e massas terrestres. O espectro da luz solar na superfície da Terra é mais difundida em toda a gama visível e infravermelho e uma pequena gama de radiação ultravioleta. A conversão da luz do Sol em eletricidade é praticamente feita por meio de células fotovoltaicas. Tais células utilizam elementos semicondutores e hoje tem aplicações mais amplas do que suprir energia aos engenhos aeroespaciais. Um forte incremento na procura de novas formas de produção de energia elétrica baseadas em fontes limpas e renováveis, a radiação solar em energia elétrica, é uma das formas de responder a esse grande desafio da humanidade. A capacidade mundial instalada de energia solar em 2004 era de 2,6 GW, cerca de 18% da capacidade gerada por hidroelétrica de Itaipu. Os principais países produtores, curiosamente, estão situados em latitudes médias e altas, regiões de menor incidência solar. O maior produtor é o Japão (com 1,13 GW instalados), seguido da Alemanha (com 794 MW) e Estados Unidos (365 MW). Entrou em funcionamento em 27 de Março de 2007 a Central Solar Fotovoltaica de Serpa (CSFS), a maior unidade do gênero que fica situada em Alentejo, Portugal, numa
A Figura 1 apresenta as bandas de energia para diversos materiais. Muito mais ambicioso é o projeto australiano de uma central de 154 MW. suficiente para abastecer cerca de oito mil habitações. Elétrons podem ganhar energia por fótons e ir para a banda de condução (mostrada em azul claro). o nível de menor energia é denominado nível de valência e o nível imediatamente superior possível é denominado nível de condução. Para entendermos como funciona uma célula solar. Nos semicondutores apenas alguns níveis de energia são permitidos. capaz de satisfazer o consumo de 45 000 casas. Chama-se de nível de Fermi NF a um nível de energia imediatamente superior aos menores estados de energia possíveis. A distância entre a denominada banda de valência e banda de condução determina as propriedades de condução elétrica do material. Entretanto está projetada e já em fase de construção outra central com cerca de seis vezes a capacidade de produção desta. substituindo energia convencional por esta fonte de energia limpa será de 400. ocupados por todos os elétrons de um material quando a temperatura é zero Kelvin (zero absoluto). A Figura 2 apresenta um diagrama de um semicondutor e alguns elétrons distribuídos. A redução da emissão de gases produtores do efeito estufa. com o primeiro estágio pronto ainda este ano.-2- CBPF-CS-009/11 das áreas de maior exposição solar da Europa.000 toneladas por ano. . A distância entre estes dois níveis é denominada faixa proibida ou equivalente a uma quantidade de energia denominada de gap (intervalo de energia). Figura 1 – A banda de energia para vários materiais relacionada com suas propriedades elétricas. Esta se situará em Victoria e prevê-se que entre em funcionamento em 2013. locado na mesma região. primeiramente vamos explicar o diagrama de bandas de energia para vários tipos de materiais. Tem capacidade instalada de 11 MW. Para uma temperatura superior alguns elétrons são excitados para níveis de energia maiores que o NF.
ou seja. . por exemplo. O NF aproxima-se do local onde estão os portadores de carga.-3- CBPF-CS-009/11 Figura 2 – Níveis de energia em um semicondutor com alguns elétrons distribuídos. (b) Distribuição de energia para dois tipos de semicondutor. a estrutura terá um elétron a menos tendo uma característica positiva P. condução valência Nível extra de energia de buracos Nível de Fermi condução condução valência Nível de Fermi Nível extra de energia de elétrons Figura 3 . A Figura 3b mostra como é a distribuição de energia dos dois tipos de semicondutores e o respectivo NF. Os materiais semicondutores do tipo P são obtidos como. A Figura 3a apresenta esquematicamente os dois tipos de semicondutores. Já o semicondutor do tipo N é formado por um semicondutor tretavalente dopado com um material pentavalente. em estruturas como do silício que tem 4 elétrons no último nível eletrônico (tretavalente) em que se introduz uma impureza trivalente.(a) Semicondutores do tipo P e N em função da eletrovalência do dopante utilizado.
os elétrons excitados retornam a banda de valência fazendo a recombinação. e expressa por E = hν. As bandas de energia são torcidas como apresentadas na Figura 4. Quando a junção for iluminada por uma radiação luminosa. de comprimento de onda curto.-4- CBPF-CS-009/11 Quando é feita a junção entre os dois materiais semicondutores P e N. Quando iluminados.Junção P-N com o nivelamento do nível de Fermi. A freqüência ν pode ser escrita como a razão da velocidade da luz c(que no vácuo tem o valor 3 x 108 m/s) pelo comprimento de onda λ. surge na interface um campo elétrico que desequilibra o balanço de cargas e faz um arranjo energético alcançando o equilíbrio quando os NF de ambos os materiais são nivelados. Na ausência da iluminação. são mais energéticos do que fótons de luz vermelha. elétrons e buracos deslocam-se para região de depleção antes de se recombinarem. de maior comprimento de onda. A radiação eletromagnética é emitida ou absorvida em discretas "unidades" de energia chamadas quantum. Assim. cuja principal característica é ausência de elétrons ou buracos. A luz é transmitida em ondas e quando absorvida ou emitida são partículas chamadas de fótons. Este fenômeno é denominado de par elétron-buraco. sendo acelerados pelo campo elétrico na interface indo para o outro lado da junção gerando assim uma corrente elétrica. com energia de gap iguais. A corrente gerada está ligada a uma propriedade do dispositivo denominada de eficiência quântica que indica a capacidade de converter fótons em pares elétron-buraco . respectivamente e E representa o campo elétrico na junção. Uma célula solar é composta por uma junção de dois semicondutores P-N. A conversão de energia solar em energia elétrica só ocorre se houver a geração de pares elétrons buracos pela absorção dos fótons da radiação incidente com energia hν > Eg. dando origem à denominada de região de depleção. fótons de luz azul. Somente radiações com energia superior a Eg podem excitar os elétrons da banda de valência a banda de condução e gerar pares elétrons buracos. com energia inversamente proporcional ao seu comprimento de onda. deixando "buracos" (ausência de elétrons) com carga positiva na banda de valência. um fóton de energia E = hν pode excitar elétrons da banda de valência e promove-los para a banda de condução. Figura 4 . Na Figura 4 a diferença entre níveis de energia EC e EV representa a energia do gap locados no limite inferior da banda de condução e no topo da banda de valência.625 x 10-34 J. s). onde E é a energia de um quantum de radiação e ν é a frequência desta radiação e h é a constante de Planck (6.
Os pigmentos responsáveis pela fotossíntese denominados clorofilas tipo a absorvem luz na região próxima ao azul e violeta. A substância que doou elétrons fica oxidada e a receptora reduz. Por fim. Materiais e métodos A célula de clorofila foi montada utilizando um filme transparente e condutor. A Figura 5. depositado por magnetron sputtering em substrato de vidro borossilicato de 1mm de espessura. Quando os pigmentos recebem energia luminosa e ficam excitados. Na fotossíntese. mostra um diagrama esquemático da célula desenvolvida. O uso de materiais orgânicos em sistemas optoeletrônicos tomou ênfase depois do surgimento de diodos emissores de luz (LED) atualmente usando materiais orgânicos (OLEDs). Na produção de energia. A clorofila recupera os elétrons doados através da reação de foto-oxidação da água. na célula solar de clorofila a energia solar é diretamente utilizada para a produção de energia elétrica. A corrente depende da intensidade da iluminação limitada pela eficiência quântica da célula. a energia solar é utilizada pelas plantas para a produção de açúcar. Figura 5 – Diagrama esquemático da célula de clorofila. Sobre o TCO. utiliza-se um gel condutor de polímero carboxi-vinílico com hexametafosfato de sódio como eletrólito para finalmente fazer contato com uma placa de cobre. denominado TCO de dióxido de estanho dopado com flúor SnO2:F. Michael Grätzel em 1991 apresentou uma célula fotovoltaica baseada num corante sintético que transforma uma grande parte da energia solar em energia elétrica. ocorre o deslocamento de elétrons para níveis energéticos mais elevados. utilizamos um processo empregando clorofila observando o que já acontece na natureza com a fotossíntese. Foi gotejada a clorofila extraída por infusão em acetona e secando até obter um xarope de alta viscosidade. foi aplicada uma pasta formada por dióxido de titânio (TiO2) misturado a uma solução de acido acético a 2 %. onde os átomos de hidrogênio H e oxigênio O são separados e os 4 elétrons resultantes são doados. o substrato foi seco e endurecido em estufa a 500 oC por 10 minutos formando uma cerâmica compacta e porosa .-5- CBPF-CS-009/11 e depende da frequência da radiação ou do comprimento de onda incidente. Já a clorofila associada a carotenóides é denominada de clorofila tipo b não faz conversão de energia. transfere para a clorofila "a" a energia captada do fóton para que se faça a conversão. . evidenciando então uma reação de óxidoredução. Após o depósito da pasta sobre o TCO.
A diferença de energia entre S2 e S1 é perdida como calor.15 0. com a respectiva emissão de um elétron rico em energia do centro de reação (reação fotoquímica redox) Figura 6 – Diagrama de energia para a célula solar de clorofila. Os estados excitados singletos podem ser S1 e S2 dependendo do comprimento de onda absorvido.00 0.05 0. a clorofila passa ao estado excitado singleto S1 e se for azul. Resultados experimentais A caracterização da célula solar foi feita através da curva corrente-tensão da célula para diferentes valores da resistência de carga (Ver Figura 7). podendo ocorrer a emissão de um fóton de luz de volta ao meio chamado de fluorescência ou pode haver a transferência de energia entre as moléculas de clorofila até o centro de reação chamado de ressonância indutiva.10 0. cerca de 2 x 10-15 segundos. A transição do estado excitado S1 para o estado fundamental S0 é lenta e a energia é dissipada de diversas maneiras.-6- CBPF-CS-009/11 As reações químicas envolvidas na célula obedecem à rota: a molécula de clorofila absorvendo um fóton em um tempo extremamente rápido. então. A figura abaixo apresenta a curva corrente tensão da célula de clorofila produzida. passa ao estado excitado singleto S2.30 0. toda a energia do fóton é adicionada a ele e o átomo passa. Se for um fóton de luz vermelha.35 0. de um estado eletrônico fundamental (S0) para um estado excitado singleto.20 0.Curva da corrente gerada pela tensão.25 0.40 Tensão (V) Figura 7 . . Quando a luz é absorvida por um átomo no estado fundamental. rico em energia.05 0. 400 350 300 Corrente em (µA) 250 200 150 100 50 -0.
visando os problemas no campo da sustentabilidade. Para obtemos a potência elétrica (Ver Figura 8). calculamos o valor para cada resistência de carga utilizada no potenciômetro. A potência máxima encontrada foi de 60µW correspondente a uma resistência de carga de 650 Ω. tornando-se necessário a pesquisa para a construção de novos tipos de células solares. Conclusão Um painel solar de semicondutor envolve elementos como Cádmio e Telúrio que são considerados ecologicamente inviáveis. por utilizar materiais ecologicamente corretos. . Figura 8 . Esta nova alternativa tem crescido significativamente durante os últimos anos. O protótipo apresentado no nosso trabalho constitui um caminho para ser seguido no sentido de se ter sistemas de conversão de energia solar em energia elétrica de forma mais barata e economicamente viávele.-7- CBPF-CS-009/11 A curva corrente-tensão é semelhante à de uma célula semicondutora de junção P-N. O Brasil apresenta excelentes níveis de radiação solar e celulas solares de baixo custo são altermntivas viaveis de fonte limpa e inesgotável e como solução energética para o planeta. Além de não agredir o meio ambiente.Potência da célula solar em função da resistência da carga no potenciômetro. como a clorofila extraída de capim. devido à crise do petróleo e da poluição dos combustíveis fósseis como alternativas energéticas.
Disponível em http://www. high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. 37 .740 (24 October 1991) AKIRA FUJISHIMA. 737 .38 (07 July 1972) MINGKUI WANG. Carlos Alberto. Volume:2. Nature 353. 2001. Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode.-8- CBPF-CS-009/11 SUGESTÕES PARA LEITURA BRIAN O'REGAN. Nature 238. A Novel Organic Redox Triiodide/iodide in Dye-Sensitized Solar Cells. A low-cost. KENICHI HONDA.com. MICHAEL GRÄTZEL.solenerg. Lavras: UFLA/FAEPE. Sistema Fotovoltaico. et all.Pages:385–389Year published:(2010) Electrolyte Rivals Nature Chemistry ALVARENGA.br/conceitos . Energia solar.